一、前言

我國(guó)北方冬季時(shí)間長(zhǎng)，熱力公司承擔(dān)著冬季供暖的任務(wù)，溫暖著千家萬(wàn)戶。正因如此，熱力公司冬季耗電量大，由于電的能價(jià)比高，在資金有限的情況下，積極引進(jìn)節(jié)電項(xiàng)目能創(chuàng)造更大的效益，減少成本。沈陽(yáng)聯(lián)美熱力供暖有限公司二分廠供電改造項(xiàng)目為合康四象限高壓變頻器能量回饋的一個(gè)應(yīng)用，能為用戶節(jié)約用電，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

二、改造方案

本項(xiàng)目所用變頻器為合康HIVERT-YVF10/154，矢量控制、能量回饋、四象限運(yùn)行，采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋的矢量控制技術(shù)。由汽輪機(jī)+電機(jī)+四象限高壓變頻器構(gòu)成一套完整的發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制由汽輪機(jī)按DCS指令統(tǒng)一調(diào)度。變頻器接收來(lái)自本地或上位機(jī)的給定和邏輯指令，根據(jù)這些指令，由變頻控制自動(dòng)完成發(fā)電運(yùn)行的過(guò)程。變頻器采用反力矩方式控制發(fā)電。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

在該項(xiàng)目中監(jiān)視器主要包含三方面：上位通訊數(shù)據(jù)交換、實(shí)現(xiàn)功率閉環(huán)功能、系統(tǒng)保護(hù)；控制器主要實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能：轉(zhuǎn)速啟動(dòng)、反力矩方式控制、防反轉(zhuǎn)功能。

2.1 功率開(kāi)環(huán)/閉環(huán)控制

開(kāi)環(huán)控制：上位機(jī)給定系統(tǒng)發(fā)電量，監(jiān)視器采用接口板所采集的變頻器輸入功率作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)。

閉環(huán)控制：上位機(jī)給定變電所進(jìn)線功率目標(biāo)值，然后通過(guò)通信將變電所進(jìn)線功率的實(shí)時(shí)采樣值傳輸給監(jiān)視器，監(jiān)視器將其作為反饋值進(jìn)行閉環(huán)PI調(diào)節(jié)。

因此開(kāi)環(huán)控制與閉環(huán)控制所采用的控制模式是一樣的，但是采用的輸入值與反饋值存在區(qū)別。

監(jiān)視器功率閉環(huán)控制框圖如下所示：

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圖2 功率閉環(huán)控制框圖

2.2系統(tǒng)保護(hù)功能包括：

（1）廠用電速降功率：

當(dāng)變電所進(jìn)線功率小于廠用電速降功率時(shí)，則系統(tǒng)進(jìn)入斜坡停車狀態(tài)，變頻器減小發(fā)電功率，防止超發(fā)。

（2）廠用電速停功率

當(dāng)變電所進(jìn)線功率小于廠用電立停功率后，變頻器立即停車，停止發(fā)電。

通常設(shè)置時(shí)，廠用電速降功率>廠用電立停功率。

（3）汽輪機(jī)最低轉(zhuǎn)數(shù)

當(dāng)變頻器所測(cè)轉(zhuǎn)速小于汽輪機(jī)最低轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置值后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入斜坡停車狀態(tài)，變頻器減小發(fā)電量。當(dāng)變頻器所測(cè)轉(zhuǎn)速不再小于汽輪機(jī)最低轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置值，則自動(dòng)恢復(fù)至正常狀態(tài)。其中還包括汽輪機(jī)停機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)小于某一轉(zhuǎn)數(shù)，則變頻器立刻停機(jī)，當(dāng)前設(shè)置為300rpm。

（4）通訊故障保護(hù)

閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生通訊斷線(通過(guò)心跳位進(jìn)行判斷)，則變頻器側(cè)將自動(dòng)由閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)切換至開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行。

2.3系統(tǒng)限制功能

（1）轉(zhuǎn)矩限制功能

轉(zhuǎn)矩限制值包括用戶在DCS直接設(shè)置的轉(zhuǎn)矩限制值以及伺服電流限制邏輯計(jì)算得到的轉(zhuǎn)矩限制值。對(duì)于用戶在DCS直接設(shè)置的轉(zhuǎn)矩限制值。當(dāng)系統(tǒng)反饋值還未達(dá)到系統(tǒng)給定值時(shí)，如果轉(zhuǎn)矩輸出值達(dá)到限制值后，將以限制值作為輸出。比如，開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)轉(zhuǎn)矩限制為30%時(shí)，如果尚未達(dá)到給定量，則PI輸出一直限制在30%，分別在積分值與PI輸出處進(jìn)行限制。但是有一點(diǎn)，假如運(yùn)行情況下轉(zhuǎn)矩限制值為30%，此時(shí)上位機(jī)修改轉(zhuǎn)矩限制值為20%，需要斜坡下降到20%，不能直接到20%，防止汽輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速巨大波動(dòng)。

汽輪機(jī)汽門(mén)開(kāi)度(伺服電流反饋值)達(dá)到汽輪機(jī)汽門(mén)開(kāi)度限制值(伺服電流設(shè)定值)后，計(jì)算得出的當(dāng)前轉(zhuǎn)矩輸出值。轉(zhuǎn)矩限制邏輯中，將以較小的數(shù)值為準(zhǔn)。

（2）發(fā)電量限制功能

發(fā)電量限制值由用戶直接在上位機(jī)上設(shè)定。開(kāi)環(huán)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電量限制由變頻器輸入功率直接進(jìn)行判斷。當(dāng)變頻器輸入功率絕對(duì)值達(dá)到發(fā)電量限制值時(shí)，則將給定信號(hào)進(jìn)行限制。閉環(huán)狀態(tài)時(shí)，給定值為進(jìn)線功率目標(biāo)值，反饋值為實(shí)際進(jìn)線功率。此時(shí)的發(fā)電功率限制值，同樣與變頻器輸入功率進(jìn)行比較，變頻器輸入功率的絕對(duì)值達(dá)到發(fā)電功率限制值后，需要對(duì)進(jìn)線功率目標(biāo)值進(jìn)行修正。

例如：進(jìn)線功率目標(biāo)值=500kW；當(dāng)前變電所實(shí)際進(jìn)線功率=1000kW；發(fā)電功率限制值為300kW。當(dāng)變頻器輸入功率達(dá)到-300kW時(shí)，進(jìn)線功率目標(biāo)值將自動(dòng)調(diào)整至700kW。

2.4其它功能

（1）開(kāi)環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)自由平滑切換

閉環(huán)運(yùn)行狀態(tài)下，如果遇到通訊故障，則自動(dòng)切換到開(kāi)環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，等通訊恢復(fù)后，在用戶DCS監(jiān)控界面可以直接切換至閉環(huán)狀態(tài)。正常運(yùn)行情況下，用戶也可以在DCS監(jiān)控界面對(duì)控制狀態(tài)進(jìn)行隨意切換。

（2）斜坡停車功能

斜坡停車狀態(tài)下，系統(tǒng)發(fā)電量將以斜坡形式緩慢降落，以防止汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。若斜坡停車期間再次按下運(yùn)行按鈕，則系統(tǒng)重新開(kāi)始運(yùn)行。

2.5轉(zhuǎn)速啟動(dòng)

轉(zhuǎn)速啟動(dòng)又為：“飛車啟動(dòng)”，即在電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下啟動(dòng)。變頻器轉(zhuǎn)速啟動(dòng)存在于轉(zhuǎn)速啟動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)兩種方式中。在啟動(dòng)變頻器前控制器一直檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一旦接到啟動(dòng)命令，變頻器立即輸出該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的頻率，并在此頻率基礎(chǔ)上加減轉(zhuǎn)速或者加減轉(zhuǎn)矩，直到達(dá)到給定數(shù)值。

2.6反力矩方式控制

反力矩方式控制即通常所說(shuō)的轉(zhuǎn)矩控制方式。本系統(tǒng)為汽輪機(jī)+電機(jī)+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)，以此變頻器運(yùn)行在第四象限，即轉(zhuǎn)矩給定方向與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速方向相反。

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圖3 四象限運(yùn)行圖

2.7防反轉(zhuǎn)功能

防反轉(zhuǎn)功能：通常情況下，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在軸瓦內(nèi)旋轉(zhuǎn)需要油膜，否則就會(huì)燒損，但是油膜形成需要條件之一就是有油楔，因?yàn)橛托ㄊ菃蜗虻?，長(zhǎng)時(shí)間反轉(zhuǎn)會(huì)燒損軸瓦，故汽輪機(jī)一般不能反轉(zhuǎn)。當(dāng)主軸動(dòng)力源消失，變頻器轉(zhuǎn)矩輸出不變的情況下會(huì)將系統(tǒng)拖到反向最大轉(zhuǎn)速。因此，控制器做出如下處理：

監(jiān)視器設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行最低頻率(絕對(duì)值)，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速運(yùn)行至最低頻率時(shí)，變頻器將系統(tǒng)轉(zhuǎn)速維持在最低頻率運(yùn)行。這么做存在著弊端：如果變頻器處于電動(dòng)狀態(tài)，將會(huì)維持在最小頻率，到達(dá)不了最高頻率限制。

系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，汽輪機(jī)先行運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速通常設(shè)定在1000rpm-1400rpm區(qū)間，變頻器飛車啟動(dòng)去匹配汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，而且處于發(fā)電狀態(tài)，因此不會(huì)存在運(yùn)行于最低限制頻率。當(dāng)汽輪器主動(dòng)力源消失，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速下降，維持在最低限制頻率，達(dá)到防止反轉(zhuǎn)功能。同時(shí)，監(jiān)視器檢測(cè)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于最低頻率，則進(jìn)行停機(jī)處理并報(bào)故障。

三、合康高壓變頻器主要技術(shù)規(guī)范

3.1設(shè)備參數(shù)

電機(jī)的基本參數(shù)：

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變頻器主要技術(shù)性能指標(biāo)：

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3.2變頻器工藝簡(jiǎn)介

1.變頻器內(nèi)部通訊采用光纖連接，以提高通訊速度和抗干擾能力，變頻器內(nèi)部強(qiáng)弱電信號(hào)分開(kāi)置光電隔離、鐵殼屏蔽，對(duì)本體控制系統(tǒng)就地控制柜沒(méi)有諧波影響，柜內(nèi)設(shè)有屏蔽端子和接地設(shè)施。變頻器裝置冷卻系統(tǒng)可靠，考慮沉余配置。單臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)故障不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，并報(bào)警遠(yuǎn)傳到控制室。每一套冷卻裝置拆裝方便，并不影響變頻裝置的安全可靠運(yùn)行。

2.變頻裝置提供電動(dòng)機(jī)所需的過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、過(guò)熱、缺相保護(hù)以及進(jìn)線變壓器的保護(hù)和變頻器過(guò)載，變頻器過(guò)熱等保護(hù)功能。

3.變頻裝置動(dòng)力電源和控制電源分開(kāi)供電，動(dòng)力電源為變頻調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部供電，控制電源獨(dú)立于動(dòng)力電源系統(tǒng)?？刂齐娫垂收蠒r(shí)，變頻器不能立即停機(jī)，能保持運(yùn)行半小時(shí)以上，以便維護(hù)人員處理電源故障。變頻器自備UPS，可維持30min 。變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在使用380VAC進(jìn)行控制調(diào)試。

四、經(jīng)濟(jì)效益分析：

現(xiàn)場(chǎng)情況：9臺(tái)100t鍋爐，平時(shí)3臺(tái)備用，11月份運(yùn)行4臺(tái)，以此類推，12月份運(yùn)行5臺(tái)，1月份最冷月份6臺(tái)鍋爐全運(yùn)行。

未使用發(fā)電系統(tǒng)用電情況如下表：

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使用發(fā)電系統(tǒng)后節(jié)能計(jì)算：

裝3臺(tái)1600kW變頻器，電機(jī)電流108A，如果滿負(fù)荷運(yùn)行1500kW/臺(tái)，則每天發(fā)電量計(jì)算為：1500kW*3*24= 108000度電。

通過(guò)對(duì)比可知，使用了汽輪機(jī)+電機(jī)+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)后，沈陽(yáng)聯(lián)美熱力供暖有限公司二分電廠每天可節(jié)約了108000度電。

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五、結(jié)論

由此可見(jiàn)：應(yīng)用汽輪機(jī)+電機(jī)+四象限高壓變頻器構(gòu)成的發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有明顯的節(jié)電效能，在冬季用電量高時(shí)，為企業(yè)節(jié)約了不少電能。采用變頻技術(shù)（反力矩控制算法）節(jié)電效果明顯，符合國(guó)家節(jié)能政策，達(dá)到了節(jié)約能源，降低廠用電量的目的，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京合康新能科技股份有限公司，HIVERT高壓變頻器用戶手冊(cè) 2016

[2]李國(guó)萍  能量回饋制動(dòng)變頻器相關(guān)技術(shù)分析，裝備制造技術(shù) 2008

[3]張承慧，杜春水，李珂  變頻驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)再生制動(dòng)機(jī)饋電技術(shù)，電機(jī)與控制學(xué)報(bào) 2006

[4]張承慧，程金，夏東偉  汽輪機(jī)最有利真空循環(huán)水泵變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，熱能動(dòng)力工程 2004

作者簡(jiǎn)介：

王平（1983.1-）   男  本科  北京合康新能變頻技術(shù)有限公司  產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部研發(fā)工程師  

研究方向：工業(yè)自動(dòng)化及電氣系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。